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BLE4.0低功耗蓝牙协议总结.pdf
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更新于2023-03-16
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BLE4.0低功耗蓝牙协议总结,是蓝牙4.0的总结性文档,内容涵盖蓝牙开发的方方面面! 文档是一次交流会时专家演讲的PPT,AI方面应用的演讲!
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BLE4.0
低功耗蓝牙协议总结
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编写:刘权
作者保留本文的所有版权
(本文得以面世感谢长沙景嘉微电子股份有限公司)
版权所有
i
目 录
版本控制 .................................................................................................. i
第一章 协议组成图 ............................................................................... 1
1.1、协议由 HOST 层和 CONTROLLER 层组成 ....................................................................... 1
1.1.1、CONTROLLER 组成 ................................................................................................ 1
1.1.2、HOST 组成 ............................................................................................................. 2
第二章 控制器 ....................................................................................... 2
2.1、PHY 物理层 ...................................................................................................................... 2
2.1.1、频段....................................................................................................................... 2
2.1.2、调制....................................................................................................................... 2
2.1.3、射频信道 ............................................................................................................... 3
2.1.4、发射功率 ............................................................................................................... 3
2.2、链路层描述 ...................................................................................................................... 4
2.2.1、链路层的状态机 ................................................................................................... 4
2.2.2、状态描述 ............................................................................................................... 5
2.2.3、bit 数据流格式 ..................................................................................................... 7
2.2.4、Preamble 前导码 .................................................................................................. 8
2.2.4、Access Address 接入地址 ..................................................................................... 9
2.2.6、Cyclic Redundancy Check (CRC) 循环冗余码校验............................................. 11
2.2.7、DATA WHITENING 数据白化 ............................................................................... 11
2.3、链路层报文结构 ............................................................................................................ 13
2.3.1、PDU 的报头和长度 ............................................................................................. 14
2.3.2、广播通道的 PDU 格式 ........................................................................................ 15
2.3.3、数据通道的 PDU 格式 ........................................................................................ 18
2.4、链路层设备滤波 ............................................................................................................ 20
2.5、NRF51822 的 Radio ........................................................................................................ 21
2.5.1、EasyDMA ............................................................................................................. 21
2.5.2、包结构 ................................................................................................................. 22
2.5.3、设备地址--白名单 .............................................................................................. 26
2.5.4、Radio 的状态机和时间参数............................................................................... 27
2.5.5、Radio 的基本配置 .............................................................................................. 32
2.6、信道................................................................................................................................ 32
2.6.1、调频..................................................................................................................... 34
2.6.2、自适应调频 ......................................................................................................... 35
2.7、非连接状态 .................................................................................................................... 40
2.7.1、就绪态 ................................................................................................................. 40
2.7.2、广播态 ................................................................................................................. 40
2.7.2.1、广播通道选择 .......................................................................................... 40
2.7.2.2、广播间隔 .................................................................................................. 41
2.7.2.3、非定向可连接广播事件(ADV_IND) ........................................................ 42
版权所有
ii
2.7.2.4、定向可连接广播事件(ADV_DIRECT_IND) ............................................... 44
2.7.2.5、非定向不可连接事件(ADV_NONCONN_IND) ......................................... 45
2.7.2.6、可发现不可连事件(ADV_DISCOVER_IND/ADV_SCAN_IND) ................... 46
2.7.3、扫描态 ................................................................................................................. 46
2.7.4、发起态 ................................................................................................................. 47
2.7.5、软件设计广播状态流程图 ................................................................................. 47
2.8、连接状态 ........................................................................................................................ 48
2.8.1、连接事件 ............................................................................................................. 49
2.8.2、监管超时 ............................................................................................................. 50
2.8.3、连接事件传输窗口 ............................................................................................. 50
2.8.4、连接状态--主机 .................................................................................................. 54
2.8.5、连接状态--从机 .................................................................................................. 55
2.8.6、连接事件关闭 ..................................................................................................... 57
2.8.7、窗口扩展 ............................................................................................................. 58
2.8.8、软件设计连接态流程图 ..................................................................................... 60
2.9、空中接口包 .................................................................................................................... 62
2.9.1、广播通道 PDU..................................................................................................... 62
2.9.1.1、广播数据的结构 ...................................................................................... 62
2.9.1.1.1、广播类型定义 AD Type ................................................................ 63
2.9.1.1.2、广播数据定义 AD Data................................................................. 64
2.9.1.2、Advertising PDUs ...................................................................................... 70
2.9.1.2.1
、
ADV_IND
、
ADV_NONCONN_IND
、
ADV_SCAN_IND.................... 70
2.9.1.2.2
、
ADV_DIRECT_IND .......................................................................... 71
2.9.1.3、Scanning PDUs .......................................................................................... 71
2.9.1.3.1
、
SCAN_REQ ..................................................................................... 71
2.9.1.3.2
、
SCAN_RSP ...................................................................................... 72
2.9.1.4、Initialing PDUS .......................................................................................... 73
2.9.1.4.1
、
CONNECT_REQ .............................................................................. 73
2.9.2、数据通道 PDU..................................................................................................... 73
2.9.2.1、LL Data PDU .............................................................................................. 74
2.9.2.2、LL Control PDU ......................................................................................... 75
2.9.2.2.1
、
LL_CONNECTION_UPDATE_REQ .................................................... 77
2.9.2.2.2
、
LL_CHANNEL_MAP_REQ ............................................................... 78
2.9.2.2.3
、
LL_TERMINATE_IND ...................................................................... 79
2.9.2.2.4
、
LL_ENC_REQ .................................................................................. 80
2.9.2.2.5
、
LL_ENC_RSP ................................................................................... 81
2.9.2.2.6
、
LL_START_ENC_REQ ...................................................................... 82
2.9.2.2.7
、
LL_START_ENC_RSP ....................................................................... 83
2.9.2.2.8
、
LL_UNKNOWN_RSP ....................................................................... 83
2.9.2.2.9
、
LL_FEATURE_REQ .......................................................................... 83
2.9.2.2.10
、
LL_FEATURE_RSP ......................................................................... 84
2.9.2.2.11
、
LL_PAUSE_ENC_REQ .................................................................... 85
2.9.2.2.12
、
LL_PAUSE_ENC_RSP .................................................................... 85
2.9.2.2.13
、
LL_VERSION_IND ......................................................................... 85
版权所有
iii
2.9.2.2.14
、
LL_REJECT_IND ............................................................................ 87
2.9.3、连接态的数据包确认和重发以及多数据发送标志 ......................................... 89
2.9.3.1、序列号(SN) ............................................................................................... 89
2.9.3.2、预期序列号(NESN) .................................................................................. 90
2.9.3.3、更多数据(MD) ......................................................................................... 90
2.9.3.4、SN、NESN 和 MD 应用的例子 ................................................................ 90
2.9.3.5、确认和重发的软件实现 .......................................................................... 94
2.10、直接测试单元(DTU) .................................................................................................... 96
2.10.1、UART 测试接口 ................................................................................................. 96
2.10.2、测试模式 RADIO 配置 ...................................................................................... 97
2.10.3、发射机测试 ....................................................................................................... 98
2.10.4、接收机测试 ....................................................................................................... 99
2.10.5、命令和事件 ..................................................................................................... 100
2.10.5.1、命令...................................................................................................... 100
2.10.5.2、事件...................................................................................................... 102
2.10.5.2.1、测试状态事件 ........................................................................... 103
2.10.5.2.2、测试报告报文事件 ................................................................... 103
2.10.6、DTU 软件设计 ................................................................................................. 104
2.10.7、NRF51822 的测试结果 ................................................................................... 106
2.10.8、测试结果对应的命令和事件 ......................................................................... 109
2.11、主机控制接口(HCI) .................................................................................................... 113
2.11.1、物理接口 ......................................................................................................... 113
2.11.1.1、UART ..................................................................................................... 114
2.11.2、逻辑接口—HCI 包格式 .................................................................................. 115
2.11.2.1、命令数据包 .......................................................................................... 115
2.11.2.2、事件数据包 .......................................................................................... 117
2.11.2.3、数据包 .................................................................................................. 119
2.11.3、命令和事件类型 ............................................................................................. 120
2.11.4、HCI 软件设计 .................................................................................................. 130
2.11.5、HCI 模拟数据传输 .......................................................................................... 131
第三章 主机 ....................................................................................... 135
3.1、逻辑链路控制和适配协议(L2CAP) ............................................................................. 138
3.1.1、L2CAP 信道 ....................................................................................................... 138
3.1.2、L2CAP 数据包格式 ........................................................................................... 139
3.1.3、低功耗信令信道包格式 ................................................................................... 140
3.1.3.1、命令拒绝 ................................................................................................ 141
3.1.3.2、连接参数更新请求和响应 .................................................................... 142
3.2、属性构成 ...................................................................................................................... 145
3.2.1、属性句柄(Attribute Handle) ............................................................................. 148
3.2.2、属性类型(Attribute Type) ................................................................................. 149
3.2.3、属性值(Attribute Value) .................................................................................... 151
3.2.4、属性许可(Attribute Permissions)...................................................................... 151
3.3、GATT 服务器构成 ........................................................................................................ 154
版权所有
iv
3.3.1、服务................................................................................................................... 155
3.3.1.1、服务声明 ................................................................................................ 156
3.3.1.1.1、服务声明格式 ............................................................................. 158
3.3.2、包含服务«Include» ........................................................................................... 159
3.3.3、属性类型分组 ................................................................................................... 160
3.3.4、特性«Characteristic» ........................................................................................ 161
3.3.4.1、特性声明 ................................................................................................ 162
3.3.4.1.1、属性值—特性性质(Characteristic Properties) ........................... 162
3.3.4.1.2、属性值—特性的属性句柄(Characteristic Value Attribute Handle)
....................................................................................................................... 163
3.3.4.1.3、属性值—特性的属性类型(Characteristic UUID) ....................... 163
3.3.4.2、特性值声明 ............................................................................................ 163
3.3.4.3、特性描述符声明 .................................................................................... 164
3.3.4.3.1、特性扩展性质描述符 ................................................................. 164
3.3.4.3.2、特性用户描述描述符 ................................................................. 165
3.3.4.3.3、客户端特性配置描述符 ............................................................. 165
3.3.4.3.4、服务器特性配置描述符 ............................................................. 166
3.3.4.3.5、特性表示格式描述符 ................................................................. 167
3.3.4.3.6、特性聚合格式描述符 ................................................................. 169
3.4、属性协议(ATT) ............................................................................................................. 170
3.4.1、通信协议方法 ................................................................................................... 170
3.4.2、属性协议包格式 ............................................................................................... 171
3.4.3、属性协议 PDUs ................................................................................................. 171
3.4.3.1、交换 MTU ............................................................................................... 172
3.4.3.2、找信息请求\应答(Find Information Request\Response) ...................... 173
3.4.3.3、按类型值查找请求\应答(Find By Type Value Request\Response) ....... 175
3.4.3.4、按类型读请求\应答(Read By Type Request\Response) ....................... 177
3.4.3.5、读请求\应答(Read Request\Response) ................................................. 180
3.4.3.6、大对象读请求\应答(Read Blob Request\Response) ............................. 182
3.4.3.7、多重读取请求\应答(Read Multiple Request\Response) ...................... 183
3.4.3.8、按组类型读取请求\应答(Read By Group Type Request\Response) .... 184
3.4.3.9、写请求\应答(Write Request\Response) ................................................ 187
3.4.3.10、写命令(Write Command) ..................................................................... 188
3.4.3.11、签名写命令(Signed Write Command) ................................................. 189
3.4.3.12、准备写请求\应答(Prepare Write Request\Response) 和执行写请求\应
答(ExecuteWrite Request\Response) .................................................................... 190
3.4.3.13、句柄通知(Handle Value Notification) .................................................. 194
3.4.3.14、句柄指示\确认(Handle Value Indication\Confirmation) ..................... 195
3.4.3.15、错误应答 .............................................................................................. 196
3.5、GATT 规程和 ATT 协议映射 ........................................................................................ 201
3.5.1、GATT 规程 ......................................................................................................... 201
3.5.1.1、发现服务和特性 .................................................................................... 201
3.5.2、ATT 协议与 GATT 映射表 ................................................................................. 202
3.6、安全管理( Security Manager (SM)) ............................................................................. 211
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Frey_Liu
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